Gli scienziati dei polimeri dell'Università del Massachusetts Amherst hanno recentemente annunciato sulla rivista Nature Communications che hanno risolto un mistero di vecchia data che circonda una struttura su scala nanometrica, formata da raccolte di molecole, chiamata doppio giroide. Questa forma è una delle più desiderabili per gli scienziati dei materiali e ha un'ampia gamma di applicazioni; ma fino ad ora, una comprensione prevedibile di come si formano queste forme è sfuggita ai ricercatori.

"C'è una bellissima interazione tra matematica pura e scienza dei materiali", afferma Greg Grason, autore senior del documento e professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso UMass Amherst. "Il nostro lavoro indaga come i materiali si autoassemblano in forme naturali."

Queste forme possono assumere molte forme. Possono essere semplici, come uno strato, un cilindro o una sfera. "Un po' come i film di sapone", aggiunge Michael Dimitriyev, ricercatore post-dottorato in scienza e ingegneria dei polimeri presso UMass Amherst, e uno dei coautori dell'articolo. "C'è una comprensione intuitiva delle forme che le molecole, come quelle del sapone, possono costruire. Quello che abbiamo fatto è rivelare la geometria nascosta che consente ai polimeri di assumere la forma a doppio giroide".

Che aspetto ha un doppio giroscopio? Non è intuitivo. "Sono qualcosa a metà strada tra uno strato e un cilindro", afferma Abhiram Reddy, un ricercatore post-dottorato presso la Northwestern che ha completato questa ricerca come parte del suo studio universitario presso UMass Amherst e autore principale del documento. In altre parole, immagina un pezzo piatto di schermo di una finestra, uno strato, e poi attorciglialo in uno strato a forma di sella che si inserisce in una scatola cubica in modo tale che la sua superficie rimanga la più piccola possibile. Quello è un giroide. Un doppio giroide è quando un secondo materiale, anch'esso attorcigliato in un giroide, riempie gli spazi vuoti nel primo giroide. Ogni materiale giroidale forma una rete di tubi che si compenetrano nell'altro. Insieme, formano un materiale estremamente complesso, simmetrico su tutti i lati, come tanti cristalli, ma pervaso da canali labirintici, ciascuno formato da diverse unità molecolari. Poiché questo materiale è un ibrido di due giroidi, può essere progettato per avere proprietà contraddittorie.

Questi doppi giroidi esistono in natura e sono stati a lungo osservati, ma fino ad ora nessuno ha capito bene come le molecole a catena, note come copolimeri a blocchi, sappiano come formare doppi giroidi. Reddy e i suoi coautori si sono basati su un precedente modello teorico, aggiungendo una forte dose di termodinamica e un nuovo approccio per pensare al problema dell'imballaggio, o al modo migliore per riempire un contenitore finito di materiale, preso in prestito dalla geometria computazionale e noto come mediale carta geografica. Poiché i copolimeri devono allungarsi per occupare ogni parte della struttura autoassemblata, comprendere questa formazione richiede di sapere come le molecole "misurano il centro" di forme, come i giroidi, che sono molto più complesse di sfere e cilindri. Il modello teorico aggiornato del team non solo spiega la formazione sconcertante di doppi giroidi, ma promette di comprendere come funziona il problema dell'imballaggio in una gamma molto più ampia di sovrastrutture autoassemblate, come doppi diamanti e doppi primitivi, o persino strutture che devono ancora essere scoperti.

I ricercatori hanno poi in programma di collaborare con i chimici di sintesi per iniziare a perfezionare la loro teoria con dati sperimentali. L'obiettivo finale è essere in grado di progettare un'ampia varietà di materiali che sfruttino la struttura del doppio giroscopio e che possano aiutare a far avanzare un'ampia gamma di tecnologie, dalle batterie ricaricabili ai rivestimenti che riflettono la luce. + Esplora ulteriormente

I doppi giroidi morbidi sono cristalli unici, ma imperfetti